光遺傳技術(shù)為神經(jīng)科學(xué)研究提供了一種可精準(zhǔn)、快速控制單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)的手段。為了對(duì)神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)光遺傳調(diào)控,將光安全、高效地導(dǎo)入腦內(nèi),需要專門(mén)的光電極（Optrode）給予支持。光電極是光遺傳工具應(yīng)用的重要組成部分,其功能是把光導(dǎo)入腦內(nèi)調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng),同時(shí)記錄神經(jīng)元電信號(hào)在光調(diào)控下變化情況的一種植入式神經(jīng)接口器件。隨著光遺傳技術(shù)在神經(jīng)環(huán)路、認(rèn)知與記憶等神經(jīng)科學(xué)研究中應(yīng)用的深入,以及其在癲癇、感官功能損傷等疾病治療方面的探索,與光遺傳技術(shù)相配合的光電極從材料選擇、器件結(jié)構(gòu)、給光方式和集成工藝等方面都呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì),本文將按照現(xiàn)有植入式光電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將光電極器件分成基于波導(dǎo)型和基于微發(fā)光二極管型兩大類,論述不同類別光電極器件優(yōu)缺點(diǎn)及演進(jìn)方向,對(duì)未來(lái)植入式光電極的理想結(jié)構(gòu)形態(tài)及亟待解決的問(wèn)題進(jìn)行了討論和展望。 

【文章來(lái)源】：物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2020,36(12)北大核心SCICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

(a)美國(guó)Neuronexus公司的光電刺激記錄系統(tǒng)(b)經(jīng)改造的“Utah光電極”21

2015年，Wu等40將錐體神經(jīng)細(xì)胞大小的μLED和記錄電極在硅襯底上進(jìn)行了單片集成，此光電極具有4個(gè)針體，每個(gè)針體上有3個(gè)μLED和8個(gè)記錄電極，如圖5a所示。由于μLED的尺寸只有10μm×15μm，只需要微安量級(jí)的電流就能將此μLED驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流大于8μA時(shí)，就能滿足刺激Ch R2的光功率要求，極大降低了器件功耗和產(chǎn)熱。當(dāng)μLED光強(qiáng)僅為60–120 n W時(shí)，可以激發(fā)此μLED附近一個(gè)或兩個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位并被臨近的電極所記錄。這種μLED與電極間的緊鄰布局使光遺傳技術(shù)對(duì)神經(jīng)的調(diào)控可以達(dá)到單細(xì)胞的空間分辨率。μLED的尺寸選擇、位置布局和發(fā)光控制都非常方便靈活，這使得同時(shí)光激發(fā)多個(gè)腦區(qū)的單神經(jīng)元成為可能。2016年，半導(dǎo)體研究所裴為華組制備了基于藍(lán)寶石襯底的μLED光電極41，其針體尺寸為5.5 mm長(zhǎng)，280μm寬，如圖5b所示，其中μLED的直徑為120μm，周圍分布了兩組直徑為16μm的tetrode電極。論文中對(duì)該光電極進(jìn)行了電學(xué)測(cè)試、產(chǎn)熱特性評(píng)估以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2018年，Mendrela等42在吳凡工作的基礎(chǔ)上，對(duì)光電極后端進(jìn)行了改進(jìn)，將12通道的μLED控制芯片和32的通道信號(hào)記錄芯片集成在一起，做成了調(diào)控與記錄一體的神經(jīng)接口系統(tǒng)，如圖5c所示，整套系統(tǒng)僅僅有1.9 g，幾乎不影響小鼠的自由活動(dòng)。而且可以單獨(dú)刺激μLED附近指定的細(xì)胞，具有單細(xì)胞級(jí)的空間分辨率。μLED耗能低，方便采用無(wú)線供能的方式驅(qū)動(dòng)43–45；且μLED在光電極上的位置可以根據(jù)所探究腦區(qū)的特征來(lái)設(shè)計(jì)，具有很大的靈活性和高集成度45；μLED光電極不需要光耦合，直接照射目標(biāo)神經(jīng)元，能量利用率高。

柔性植入器件具有與腦組織更匹配的物理機(jī)械性質(zhì)，且更能適應(yīng)運(yùn)動(dòng)造成的神經(jīng)組織形變48,49，有利于光電極植入后，長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)與電記錄。2013年，Rogers團(tuán)隊(duì)50制備了一種可植入到深部腦區(qū)的超薄、柔性、多功能光電極，如圖6a所示，此光電極除了包括將襯底剝離的μLED和記錄電極外，還包括亮度和溫度檢測(cè)器件。且采用無(wú)線供能，讓實(shí)驗(yàn)動(dòng)物真正地實(shí)現(xiàn)了無(wú)線纜羈絆的自由活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)植入光纖和多功能μLED光電極進(jìn)行對(duì)比，柔性光電極植入產(chǎn)生的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活化程度顯著低于光纖植入，使用該無(wú)線光電極對(duì)小鼠的行為進(jìn)行調(diào)控，且該器件在小鼠體內(nèi)能穩(wěn)定工作幾個(gè)月。同年，Kwon團(tuán)隊(duì)51制備了使用銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)作為記錄點(diǎn)的透明電極和商用μLED集成的柔性光電極。此光電極為了匹配小鼠視覺(jué)皮層雙邊半球的面積，包含兩個(gè)面積為2.5 mm×2.5 mm的子陣列，每個(gè)陣列包含4×4個(gè)直徑為200μm電極記錄點(diǎn)和220μm×270μm的μLED，如圖6b所示。2016年，上海交通大學(xué)劉景全團(tuán)隊(duì)52使用金絲壓焊的方式將μLED綁定在已經(jīng)做好了電極陣列的聚酰亞胺柔性襯底上，制備了一種柔性光電極。此光電極由16個(gè)220μm×270μm的μLED和16個(gè)Ir Ox修飾的記錄電極構(gòu)成。論文里通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此光電極的柔性和使用壽命。2019年，Reddy等53制備了高密度、雙面、柔性光電極。利用生物相容性和光學(xué)透明性較好的Parylene充當(dāng)襯底和絕緣材料，此光電極有32個(gè)尺寸為22μm×22μm的μLED，電極正面和背面均排布了記錄點(diǎn)，如圖6c所示。柔性μLED光電極的優(yōu)點(diǎn)是與動(dòng)物的生物相容性高，植入后引起的免疫排斥反應(yīng)小，記錄的電生理信號(hào)信噪比高，能長(zhǎng)時(shí)間在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。4 討論與總結(jié)


本文編號(hào)：3230094